渣斗门式起重机的发展及关键技术
2016/1/7 17:16:26 点击：
1 前言
近年来随着我国城市地上空间开发利用的程度越来越大，可利用的地上空间日益减少，而开发利用广阔的地下隧道交通正越来越得到政府的重视，“十二五”期间城市轨道交通及过江隧道是我国的投资热点。至2016年我国将新建轨道交通线路89条，总建设里程为2500公里，国务院又批复了22个城市的地铁建设规划，总投资达8820.03亿元。我国的城市轨道交通行业步入一个跨越式发展的新阶段，中国已经成为世界最大的城市轨道交通市场。城市快速轨道、过江隧道、南水北调、西气东输等重大工程的进行，使得我国地下隧道工程的建设正得到迅猛的发展，作为重点设备与之配套的渣斗门式起重机也正在成为一个拥有巨大潜力市场的产品。
2 起重机作业工况及典型结构特点
根据市场调研，为配合地铁的修建，需要专用的门式起重机用来提升隧道盾构机所挖的渣土，即渣斗门式起重机。它是专为修建地铁隧道，清除地下施工产生的渣土而设计制造的特种设备。
渣斗门式起重机主要用于完成吊运竖井（深一般在30~60m）下的渣土及斗车从竖井中吊出至地面及倾倒工作，起重机要通过特定装置与设置在渣斗车两端的偏心轴铰接，利用渣斗自重来实现翻渣。目前，国内市场此类渣斗门机，倾倒渣土有两种方式，一种是将渣斗吊运至设置在支腿下部或地面上的专用倾倒支架上方，下放龙门钩吊具使渣斗两端的偏心轴落在倾倒支架挂钩上，利用渣斗自重实现翻渣，这种形式工作效率较低，翻渣位置固定，缺少灵活性，但小车自重轻，成本低；另一种是直接在起重机小车上设置翻渣挂钩，并根据渣斗实际尺寸及结构特点设计龙门钩专用吊具，吊具通过龙门板钩直接挂在渣斗两端的吊柄上，与渣斗上的吊柄进行铰接。当龙门钩吊具和渣斗向上提升至地面时，液压推杆驱动翻渣挂钩，实现翻渣挂钩与渣斗车的避让动作，渣斗车继续向上提升至翻渣挂钩以上时，翻渣挂钩由液压推杆驱动下放至渣斗两端的偏心轴下，然后下放龙门钩吊具，靠渣斗自重实现空中自动翻渣，这种形式工作效率高，灵活性好，节省人力，但成本较前一种稍高。
一般渣斗门机跨度覆盖竖井宽度，在悬臂侧翻渣，根据工况一般为单悬臂，也可双边悬臂。翻渣方向有两种，较常用的一种为垂直于主梁翻渣，另一种为平行于主梁。因同一条地铁线要在不同的地方开挖竖井施工出渣，而每个城市工地的周边条件并不一致，但是不可能每一个工地都要购买一台新的渣斗门机，这就要求渣斗门机应能满足不同工地工况条件施工的需要，因此门机的跨度往往可变为多个跨度或悬臂可拆卸。根据翻渣方向的不同，小车可做成双层，做90°旋转，以实现两个方向的翻渣。这样就增强了起重机适用不同工况的灵活性，以适合不同的跨度，不同的边界条件和翻渣工况，不会造成重新订购新的起重机，节约了成本。
在设计过程中，依据以上实际使用工况确定主要技术参数，就使用频繁程度确定整机工作级别为A6；根据国内几个主要渣斗制造厂家提供的渣斗尺寸和容量，可确定吊具下起重量为45t；因起升高度高，小车自重及起重量较大，为减小冲击载荷，降低噪音，整车采用变频控制调速；起升速度要求较快，一般在12m/min以上，小车运行速度一般在30m/min左右，大车运行速度一般在40 m/min左右；起升高度一般为轨道面以下30~60m，主梁底至轨道面9m，渣斗距地面高度约为2.5m左右，这样在实现空中翻身时，避免扬尘或淤泥飞溅，利于渣土的倾倒，跨度和悬臂长度根据施工现场实际情况确定。
3 计算实例
下面就我公司为中铁十二局设计制造的MG45/15t-16m渣斗门式起重机方案设计过程进行详述（见图1）。
图1 45t渣斗门式起重机结构示意图
1、电气系统 2、起重小车总成 3、门架结构 4、大车供电 5、大车运行机构
6、吊具 7、渣斗
3.1主要技术参数
起重载荷：吊具下45t，吊具重4t,副钩15t;跨度：16m；单侧有效悬臂长4.5m；起升高度：轨上9m，轨下41m；整机工作级别A6；
3.2设计方案
（1）总体技术要求
1）整个门架采用U型结构，便于宽约6.5m的渣斗通过支腿，增大过腿空间；
2）跨度可通过去除主梁5m中间节由16m变为11m，单侧悬臂可拆除，采用高强螺栓连接；
3）双吊点，并配专用吊具，由两组动滑轮组，一个平衡梁，两个板钩及一个50t吊钩组成，用以吊运其他货物，增加起重机使用的灵活性；
4）小车设计为双层，上层小车与下层小车采用定位销与抗剪块进行定位，起升机构设置在上层小车架上，根据不同工况的需要,上层小车可90°旋转；
5）因起升高度高，为控制钢丝绳偏角，保证动滑轮吊点距与卷筒长度一致，钢丝绳采用卷筒中间固定方式，在起升至上极限时，钢丝绳排至卷筒两端，这样就可以控制钢丝绳偏角在规范允许范围内；
6）上层小车上设置液压推杆驱动的翻渣挂钩，通过渣斗车底部的偏心挂轴挂在挂钩上继续下放渣斗车，实现空中自动翻渣；
7）整车采用变频调速，减小冲击载荷，降低噪音，操作方式为空操；
（2）金属结构设计
门架金属结构主要由主梁、支腿、端梁、上横梁、下横梁、梯子平台等构成，主要结构件之间采用法兰盘高强螺栓联接，形成完整的刚构体系。门架各部件、走行机构平衡梁、小车架等主要受力构件的材料均为Q235B。
设计中，考虑满足各种使用和安全性能的要求，分别对起重机进行了静力分析和动刚度分析，按小车位于跨中和有效悬臂处的两种工况对各主要结构件进行强度及静刚度分析，强度计算载荷包括起升载荷、自重载荷、风载荷及惯性载荷，同时考虑起升机构不稳定运动时的动载系数。
钢结构的设计与计算通过利用Ansys软件建立结构系统的参数化模型，进行力学分析，使钢结构在满足使用要求的情况下，使结构更加优化，减轻重量，降低了成本。
（3）小车结构及各机构的设计
根据工况的需要将小车设计为上下两层，上层小车可90°旋转，上下层小车采用定位销与抗剪块进行定位，起升机构设置在上层小车架上；再根据所吊渣斗尺寸，设计一个专用吊具，采用双吊点结构；因起升高度高，为控制钢丝绳偏角，通过增大起升卷筒直径至￠1000mm，采用高性能直径小的钢丝绳，双联卷筒，中间固定，两侧下绳的结构，从而缩短卷筒长度，最终确定吊点距为4.2m；为实现空中自动卸渣功能，设计一套液压式挂钩装置，由液压推杆、连接钢丝绳、挂钩及连杆组成，液压推杆通过连杆和钢丝绳与挂钩连接，实现挂钩与渣斗的避让和挂钩动作（见附图2），液压推杆安装在铰座上，以铰座中心转动，补偿其在推动连杆转动过程中位移变化。
另起重小车增加15t副钩，供吊装散件用，结构布置为普通结构，不详细介绍。因小车结构尺寸较大，为方便运输，小车进行解体，采用高强螺栓连接。
图2 45t渣斗门机空中卸渣结构示意图
1、液压推杆 2、铰座3、连杆4、连接钢丝绳 5、挂钩 6、专用吊具7、渣斗
小车运行采用双驱动，双电机双减速机结构，变频调速。
（4）电控系统设计
电气控制系统由大小车控制柜、主副起升控制柜、联动台、电阻器、接线箱等部分组成。供电电源为AC380V,50Hz三相四线制，经电缆卷筒装置引至起重机，向各机构的主回路供电。发生紧急情况时可用紧急按钮来切断接触器的控制回路，使整个系统停电。
起升机构设有超载保护、零位保护、过流保护等功能，同时设置有上、下极限位置的限位开关；全车采用PLC控制器参与传动系统的调速控制，全部电动机、制动器、变频器均有故障检测，一旦发生异常状况，该系统拒绝动作，并显示故障种类和故障部位，便于及时维修。
此产品安装调试后通过了静载和动载试验，符合GB/T14406-2011《通用门式起重机》中的规定，为合格产品。此设备业主已在北京地铁项目上使用（见所附照片），在起初的使用过程中，发现还剩下1/3土倾倒不出来。经现场分析后，认定是由于渣斗上部太轻，以挂钩处为支点，还剩1/3土时两侧已经达到了力平衡，导致无法靠渣斗自重来实现渣土的完全倾倒。经过整改渣斗后，至今在其工程项目现场使用情况良好，各项性能指标完全满足要求。随着中国地铁的飞速发展，此类门式起重机有着广泛的应用前景，我公司因具有很多此类车的设计制造经验，陆续与中铁十四局、中铁十六局、中铁十八局、中铁隧道等签订了几十台车，创造了巨大的经济效益，为国家轨道基础交通建设做出了一定贡献。
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